空间数据通信与组网技术研究

论文摘要

空间探索和开发利用的进展使空间任务复杂性不断增加,原有的点到点通信方式已经不能适应现有和未来的空间任务,空间通信正在向更高水准的网络化方向发展。然而空间任务的需求与成本的矛盾突出,迫切需要提供有效的而且是比较经济的通信手段。因特网和商业卫星通信技术的发展为空间通信提供了新途径,如何将在因特网和商用卫星通信系统中所取得的革新技术用于基于空间卫星的数据通信,进而构建天地一体化的网络环境是当前的一个研究热点。本文分析空间通信的需求和特点,研究在空间通信中采用IP技术的可行性,探索适合空间环境的通信模型、网络基础设施和空间任务信息传输的服务质量保证技术。论文的主要成果和创新点如下:(1)提出空间任务与通信分离、以IP技术为基础提供空间信息传输服务的通信方式,并给出了采用因特网和IP网络技术的空间通信模型。在详细分析空间通信标准、IP基础理念和技术以及空间无线和光通信技术发展趋势的基础上,指出空间通信迫切需要成熟的网络协议来支持不断增长的空间任务通信需求,IP可以适应空间通信的需求,可以把IP协议融入空间通信标准中,未来的空间通信应从空间任务中独立出来,由因特网服务提供商提供,走商业化的道路。(2)详细分析了IP的QoS控制机制和体系架构,提出了采用因特网提供空间任务信息传输的服务质量保证模型,并在此基础上,研究空间链路特性,利用经典的控制论方法,提出了适应带宽变化的地空链路共享和基于管理域的带宽重分配算法。该算法根据输出缓存的动态参数判定链路因抗干扰技术带来的链路带宽变化,通知调度器调整调度时机;能够根据用户需求,对变化带宽基于管理域进行重新分配,既能为共享链路的各个用户提供QoS支持,又能保持较高的链路利用率。理论分析和仿真实验表明了该控制算法的有效性。(3)研究了美国宇航局(NASA)现有的空间网络、商业卫星群空间网络原理以及商用系统为空间任务提供通信服务过程中存在的问题,分析了空间通信特点,提出了基于环状的层次空间通信模型。该模型面向空间任务,采用轨内星间链路连接相同轨道卫星构成卫星环,以卫星环的方式为与其轨道倾角在一定范围内同向转动的航天器提供接入服务,高轨道卫星环通过环间星间链路和地空链路为低轨道卫星环提供互联服务和接地服务,这样可以减小因航天器和通信卫星间相对移动造成的频繁切换和较大的相对速率变化所带来的不利影响,从而提升通信系统为用户提供服务的能力。构建了空间模拟环境,用以分析所提出的模型的合理性,也为进一步的研究提供了基础的仿真试验平台。

论文目录

• 摘要
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文的贡献
• 1.4 论文的组织
• 第二章 IP 在空间通信中的适用性分析
• 2.1 背景:一颗卫星与两个通讯标准的诞生
• 2.1.1 因特网协议（IP）与因特网社团（ISOC）
• 2.1.2 空间数据通信标准与空间数据系统咨询委员会（CCSDS）
• 2.1.3 两个标准的区别和融合
• 2.2 CCSDS 空间通信标准的演进
• 2.2.1 早期空间链路协议（Space link protocol）
• 2.2.2 空间链路协议的重构和扩充
• 2.2.3 CCSDS 通信协议层次模型
• 2.3 天地一体化的网络协议和IP 在未来空间通信中的可行性
• 2.3.1 空间任务需要端到端天地一体化的网络协议
• 2.3.2 IP 的设计思想符合空间要求
• 2.3.3 IP 在空间中的实验和应用证明了其可行性
• 2.3.4 技术的发展使IP 适应空间通信需求
• 2.3.5 非技术因素
• 2.4 讨论与小结
• 第三章 IP 的QoS 机制和面向空间信息传输的QoS 模型
• 3.1 服务质量（QoS）定义和IP 网络服务质量保证需求
• 3.1.1 什么是QoS
• 3.1.2 网络服务质量参数
• 3.1.3 IP 网络QoS 支持需求和目标
• 3.2 IP 服务质量保证机制
• 3.2.1 数据层面
• 3.2.2 控制层面
• 3.3 IP 友好的服务质量体系
• 3.3.1 IP 优先权和服务类型—有限QoS
• 3.3.2 集成服务模型（InServ）—QoS 体系架构初步尝试
• 3.3.3 区分服务（Diffserv）—向IP 友好的QoS 体系迈进
• 3.3.4 讨论
• 3.4 基于IP 的空间通信需求和模型
• 3.4.1 空间通信QoS 需求和空间链路特点
• 3.4.2 基于IP 空间任务信息的传输模型
• 3.4.3 空间任务信息端到端的QoS 支持
• 3.5 小结
• 第四章 适配带宽变化的地空链路管理机制
• 4.1 地空链路的影响因素和抗干扰技术
• 4.1.1 影响链路传输质量的因素
• 4.1.2 抗衰减技术措施
• 4.1.3 抗干扰技术对链路的影响
• 4.2 链路共享相关研究
• 4.3 基于类的排队算法（CBQ）和链路带宽变化对其影响
• 4.3.1 常规调度器
• 4.3.2 估计器
• 4.3.3 带宽共享调度器
• 4.3.4 链路带宽变化对CBQ 影响
• 4.4 适于带宽变化的分层链路共享方法
• 4.4.1 CBQ-VB 算法概述
• 4.4.2 CBQ-VB 算法原理和实现
• 4.5 基于管理域的带宽重分配方法
• 4.5.1 DBBR 算法目标
• 4.5.2 DBBR 算法原理与实现
• 4.6 输出缓存反馈控制系统稳定性分析
• 4.7 性能仿真与分析
• 4.7.1 仿真环境
• 4.7.2 仿真试验和结果分析
• 4.7.3 参数选取Kp 选取
• th选取'>4.7.4 参数选取V_th选取
• 4.8 小结
• 第五章 基于卫星环的层次式空间网络模型
• 5.1 空间任务通信的特点和需求
• 5.2 基本概念与术语
• 5.2.1 卫星轨道参数
• 5.2.2 轨道类型
• 5.2.3 扰动及其影响
• 5.3 空间任务通信现状及相关的研究
• 5.3.1 空间任务通信现状和存在的问题
• 5.3.2 商用卫星通信系统现状和问题
• 5.3.3 相关的研究
• 5.4 空间通信基础设施的模型
• 5.4.1 减小用户系统和通信设施间的切换频率
• 5.4.2 卫星环卫星个数选取
• 5.4.3 基于卫星环的层次式通信模型
• 5.5 小结和讨论
• 第六章 空间通信模拟试验
• 6.1 NS2 空间网络仿真环境
• 6.1.1 NS2 中卫星节点种类
• 6.1.2 NS2 中卫星节点和链路的组成结构
• 6.1.3 切换管理和路由
• 6.1.4 星群
• 6.2 空间仿真环境建立
• 6.2.1 通信卫星节点
• 6.2.2 航天器类节点
• 6.2.3 地面站类节点
• 6.2.4 跟踪记录
• 6.3 空间通信模型仿真与分析
• 6.3.1 切换频率
• 6.3.2 最短路径传播时延
• 6.3.3 相对移动速率和距离
• 6.4 小结
• 第七章 结束语
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 下一步研究方向
• 附录A 公式（5.6）推导
• 附录B 公式（5.8）推导
• 附录C 定理5.2,5.3,5.4 证明
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历